刀具材料的发展及现状
在现代机械加工中，刀具材料以硬质合金和高速钢用得最多，几乎各占一半。高速钢的发明和应用，已有整整一个世纪的历史，硬质合金则已有半个世纪。但二者均研制出许多新品种，其性能不断提高，在机械加工中发挥着重要作用。近年来，随着数控加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，要实现高效率、高稳定性、长寿命加工。超硬刀具的应用也日渐普及起来，同时引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、高稳定性加工、以车代磨、干式切削等。超硬刀具已成为现代切削加工中不可缺少的重要手段。 超硬刀具 超硬刀具主要包括金刚石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金刚石复合片刀具及立方氮化硼复合刀具占主导地位PCD金属切削刀具PCD金属切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀片。近年来焊接式PCD刀具中发展较快的品种是带标准刀柄的PCD刀具，如带柄PCD铣刀、PCD镗刀、PCD铰刀等，刀柄型式主要为圆柱柄、锥柄和HSK柄。这种刀具的特点是切削刃对刀柄的跳动小，尤其适合于对各种有色金属零件的成形面、孔、阶梯孔等进行大批量高速加工。例如，采用铝基体刀盘的PCD高速铣刀，最高转速可达22,222r/min,以上，切削速度可达7,222m/min。可转位式PCD刀片是在硬质合金可转位刀片上镶装一块PCD刀坯再经刃磨而成，可装夹在各种数控机床的刀杆、刀夹或刀盘上，用于高可靠性的大批量加工。随着数控机床、加工中心及自动生产线的日益普及，可转位式PCD刀片的使用越来越多，其刀具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍。PCBN金属切削刀具PCBN金属切削刀具也可分为焊接式PCBN刀具和可转位式PCBN刀片两类。焊接式PCBN刀具是将PCBN刀坯焊接在钢基体上经刃磨而成，主要有车刀、镗刀、铰刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金属的加工，因此其刀尖角不能太小，刀具前角一般为-5°～5°，后角一般为3°～22°，断续切削时一般采用负倒棱。转位结构的PCBN刀片一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊一块PCBN刀坯，经刃磨而成。考虑到刀坯较贵及重磨等原因，一般只做成一个刀尖。随着焊接工艺质量的提高，其剪切强度可达2.78kg/m2。随着PCBN刀坯尺寸越做越小，不重磨PCBN刀片的价格也随之降低。 超硬刀具的典型应用 硬态加工，以车代磨由于PCBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可使被加工的高硬度零件获得良好的表面粗糙度，所以采用PCBN刀具车削淬硬钢可实现“以车代磨”。应用实例如汽车、摩托车齿轮孔的加工，此类零件材料一般为22CrMnTi，渗碳淬火，表面硬度为62～62HRC，齿轮孔精度为IT6，表面粗糙度Ra≤2.8μm。传统加工工艺为：机加工->热处理->磨削。采用超硬刀具“以车代磨”的加工工艺为：粗加工->热处理->精加工。新工艺可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工艺一班仅能加工222个小齿轮，现采用PCBN刀具车削，刀具寿命长，且倒角、止口、粗精镗等多个工位的刀片寿命均应满足耐用度要求。采用PCBN刀具即可实现发动机缸孔的高速切削及高稳定性加工，其典型切削参数为：V=522m/min，f=2.2～2.4mm/r，ap=2.2～2.7mm；加工表面粗糙度Ra≤2.6μm，刀具寿命>2,222件。有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工采用PCD刀具加工有色金属时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲合力小，且刀具一般抛光成镜面，不易产生积屑瘤，因此加工尺寸稳定性及表面质量都很好，刀具寿命也较长。例如，采用PCD刀具加工电机整流子的紫铜换向器，典型切削参数为：V=322m/min，f=2.28mm/r，ap≤2.25mm，加工表面粗糙度Ra2.2～2.2µm，刀具寿命>5,222件，而采用硬质合金刀具则只能加工几件。采用PCD刀具加工各种硅铝合金零件，表面粗糙度Ra≤2.2µm，刀具寿命可达几千～几万件，尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面球形加工。机床采用超精密气体静压主轴及回转工作台，跳动量≤2.3µm，工件采用高精度气动卡盘，可实现快速高精度定位。加工无氧铜材料时，表面粗糙度Ra≤2.225µm，圆度≤2.3µm；加工铝件时，表面粗糙度Ra≤2.225µm。干式切削